JP6795734B2 - DC / AC inverter - Google Patents
DC / AC inverter Download PDFInfo
- Publication number
- JP6795734B2 JP6795734B2 JP2016246945A JP2016246945A JP6795734B2 JP 6795734 B2 JP6795734 B2 JP 6795734B2 JP 2016246945 A JP2016246945 A JP 2016246945A JP 2016246945 A JP2016246945 A JP 2016246945A JP 6795734 B2 JP6795734 B2 JP 6795734B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- switch element
- mode
- secondary winding
- output
- inverter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 54
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 49
- 238000013139 quantization Methods 0.000 claims description 16
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 4
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
Images
Description
本発明は、太陽光発電用パワーコンディショナー等、低圧の直流を系統に連系させるDC/ACインバータに関する。 The present invention relates to a DC / AC inverter that connects a low-voltage direct current to a system, such as a power conditioner for photovoltaic power generation.
特許文献1は、2つのインバータを用いて、交流の脈動に合わせてインバータの出力電圧を調整し、2つのインバータの動作を切り換えて直流を交流に変換する。
しかし、特許文献1では、インバータの平滑コンデンサに交流のリップル電流が流れることから、平滑コンデンサの容量を低減することができない。このため、図11に示す特許文献2に記載のインバータ装置が用いられている。このインバータ装置は、スイッチ素子51S〜54Sからなるフルブリッジ回路とダイオードD11〜D14からなる絶縁型DC/DCコンバータ213と、リアクトルL3、コンデンサC12、スイッチ素子3SとコンデンサCdcとを有するアクティブフィルタ回路211、スイッチ素子41S〜44Sからなるフルブリッジ回路を有するインバータ回路221からなる。
However, in
このインバータ装置は、アクティブフィルタ回路211を用いてコンデンサCcdに交流の脈動分を生成し、コンデンサCcdの電圧と直流電圧Vdcの合成電圧をインバータ回路221に入力することで直流を交流に変換する。これにより、コンデンサC12に流れる電流のリップル分を抑制できる。
This inverter device uses the
しかしながら、絶縁型DC/DCコンバータ(スイッチング電源回路)213の整流回路D11〜D14とアクティブフィルタ回路211のそれぞれにスイッチ素子を使用しているため、部品点数が多く、スイッチ素子による導通損失が大きいため、効率が低下していた。
However, since switch elements are used for each of the rectifier circuits D11 to D14 and the
本発明の課題は、回路の簡素化及び効率の向上を図ることができるDC/ACインバータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a DC / AC inverter capable of simplifying a circuit and improving efficiency.
本発明は、直流電圧を交流電圧に変換するDC/ACインバータであって、第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路を備え、前記第1スイッチ素子及び前記第2スイッチ素子をスイッチングすることにより前記直流電圧をを交流電圧に変換してトランスの一次巻線を介して二次巻線に出力するDC/DCコンバータと、前記二次巻線に接続された第3スイッチ素子乃至第6スイッチ素子からなる第1フルブリッジ回路、前記第1フルブリッジ回路の出力両端に接続されたバッファコンデンサを備えたアクティブバッファ回路と、第7スイッチ素子乃至第10スイッチ素子からなる第2フルブリッジ回路を有し、前記バッファコンデンサからの電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する電流インバータと、前記第1スイッチ素子乃至第10スイッチ素子の各スイッチ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記DC/DCコンバータの出力を前記負荷に供給する第1モード、前記DC/DCコンバータの出力により前記バッファコンデンサを充電する第2モード、前記DC/DCコンバータの出力と前記バッファコンデンサを直列に接続して前記負荷に放電する第3モード、前記DC/DCコンバータの出力が前記バッファコンデンサに作用しない第4モードの処理を第1モードから順番に第4モードまで行うように、前記各スイッチ素子をオンオフ制御し、前記二次巻線は、第1の二次巻線と第2の二次巻線との直列回路からなり、前記第1の二次巻線の一端に前記第3スイッチ素子と第4スイッチ素子が接続され、前記第2の二次巻線の一端に第5スイッチ素子と前記第6スイッチ素子が接続され、前記制御回路は、前記第1モードにおいて、前記第3スイッチ素子又は前記第5スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の対角をなす2つのスイッチ素子をオンさせ、前記第2モードにおいて、前記第3スイッチ素子又は前記第5スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の全スイッチ素子をオフさせ、前記第3モードにおいて、前記第4スイッチ素子又は前記第6スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の対角をなす2つのスイッチ素子をオンさせ、前記第4モードにおいて、前記第4スイッチ素子又は前記第6スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の全スイッチ素子をオフさせることを特徴とする。
The present invention is a DC / AC inverter that converts a DC voltage into an AC voltage, includes a half-bridge circuit including a first switch element and a second switch element, and switches the first switch element and the second switch element. A DC / DC converter that converts the DC voltage into an AC voltage and outputs it to the secondary winding via the primary winding of the transformer, and the third switch element to the third switch element connected to the secondary winding. A first full bridge circuit consisting of 6 switch elements, an active buffer circuit having buffer capacitors connected to both ends of the output of the first full bridge circuit, and a second full bridge circuit consisting of 7th switch elements to 10th switch elements. the a, comprising a current inverter for supplying to a load to convert the voltage from the buffer capacitor into an AC voltage, and a control circuit for turning on and off the respective switching elements of the first switching element to tenth switching element, wherein The control circuit has a first mode in which the output of the DC / DC converter is supplied to the load, a second mode in which the buffer capacitor is charged by the output of the DC / DC converter, the output of the DC / DC converter and the buffer capacitor. The processing of the third mode in which the DC / DC converters are connected in series and discharged to the load, and the fourth mode in which the output of the DC / DC converter does not act on the buffer capacitor is performed from the first mode to the fourth mode in order. Each switch element is controlled on and off, and the secondary winding is composed of a series circuit of a first secondary winding and a second secondary winding, and the first secondary winding is connected to one end of the first secondary winding. The 3 switch element and the 4th switch element are connected, the 5th switch element and the 6th switch element are connected to one end of the 2nd secondary winding, and the control circuit is the first in the 1st mode. The 3 switch element or the 5th switch element is turned on, the two switch elements diagonal to the 2nd full bridge circuit are turned on, and in the 2nd mode, the 3rd switch element or the 5th switch element is turned on. Turn on, turn off all switch elements of the second full bridge circuit, turn on the fourth switch element or the sixth switch element in the third mode, and make a diagonal of the second
本発明によれば、従来のDC/ACインバータに対して、DC/DCコンバータを、第1及び第2スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路で構成し且つダイオードを削除し、アクティブバッファ回路に高周波の整流動作を付加することで、トランス二次側回路の通過素子数を低減させたので、回路構成を簡素化でき、導通損失を低減することで効率の向上を図ることができる。 According to the present invention, in contrast to the conventional DC / AC inverter, the DC / DC converter is composed of a half-bridge circuit composed of first and second switch elements, the diode is eliminated, and high-frequency rectification is performed in the active buffer circuit. By adding the operation, the number of passing elements in the secondary side circuit of the transformer is reduced, so that the circuit configuration can be simplified and the efficiency can be improved by reducing the conduction loss.
以下、本発明の実施の形態のDC/ACインバータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, the DC / AC inverter according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係るDC/ACインバータの回路構成を示す図である。図1に示すDC/ACインバータは、アクティブバッファ回路に高周波の整流動作を付加することで、トランス二次側回路を通過素子数を低減させて回路構成を簡素化し、導通損失を低減したことを特徴とする。 FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a DC / AC inverter according to a first embodiment of the present invention. The DC / AC inverter shown in FIG. 1 adds a high-frequency rectification operation to the active buffer circuit to reduce the number of elements passing through the transformer secondary circuit, simplify the circuit configuration, and reduce conduction loss. It is a feature.
図1に示すDC/ACインバータにおいて、直流電源Vinの両端には、コンデンサC1とコンデンサC2との直列回路と、第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2との直列回路とが接続されている。コンデンサC1とコンデンサC2との接続点と、第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2との接続点との間には、リアクトルLsとトランスTの一次巻線Pとの直列回路が接続されている。第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2とは、ハーフブリッジ回路を構成する。リアクトルLsは、トランスTの一次巻線Pと二次巻線間のリーケージインダクタンスでも良い。 In the DC / AC inverter shown in FIG. 1, a series circuit of the capacitor C1 and the capacitor C2 and a series circuit of the first switch element S1 and the second switch element S2 are connected to both ends of the DC power supply Vin. .. A series circuit of the reactor Ls and the primary winding P of the transformer T is connected between the connection point between the capacitor C1 and the capacitor C2 and the connection point between the first switch element S1 and the second switch element S2. There is. The first switch element S1 and the second switch element S2 form a half-bridge circuit. The reactor Ls may be the leakage inductance between the primary winding P and the secondary winding of the transformer T.
コンデンサC1、コンデンサC2、第1スイッチ素子S1、第2スイッチ素子S2、リアクトルLs及びトランスTの一次巻線Pとは、絶縁型のDC/DCコンバータを構成する。このDC/DCコンバータは、リアクトルLsとコンデンサC1,C2との共振により第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2とをゼロ電流スイッチング(ZCS)して、スイッチング損失を低減する。 The capacitor C1, the capacitor C2, the first switch element S1, the second switch element S2, the reactor Ls, and the primary winding P of the transformer T form an isolated DC / DC converter. This DC / DC converter reduces switching loss by performing zero current switching (ZCS) between the first switch element S1 and the second switch element S2 by resonance between the reactor Ls and the capacitors C1 and C2.
トランスTの二次側は、第1の二次巻線SA1と第2の二次巻線SA2とが直列に接続されている。第1の二次巻線SA1と第2の二次巻線SA2とには、第3スイッチ素子S3乃至第6スイッチ素子S6からなる第1フルブリッジ回路と第1フルブリッジ回路の両端に接続されるコンデンサC3(バッファコンデンサに対応)と、ダイオードD1〜D3とを備えるアクティブバッファ回路2が接続されている。ダイオードD1は、第1整流素子に対応し、ダイオードD2は、第2整流素子に対応し、ダイオードD3は、第3整流素子に対応する。
On the secondary side of the transformer T, the first secondary winding SA1 and the second secondary winding SA2 are connected in series. The first secondary winding SA1 and the second secondary winding SA2 are connected to both ends of a first full bridge circuit including a third switch element S3 to a sixth switch element S6 and a first full bridge circuit. A capacitor C3 (corresponding to a buffer capacitor) and an
第1の二次巻線SA1の一端には、第3スイッチ素子S3のソースとダイオードD1のアノードとが接続され、ダイオードD1のカソードには第4スイッチ素子S4のドレインが接続されている。第2の二次巻線SA2の一端には、第5スイッチ素子S5のソースとダイオードD2のアノードとが接続され、ダイオードD2のカソードには第6スイッチ素子S6のドレインが接続されている。 The source of the third switch element S3 and the anode of the diode D1 are connected to one end of the first secondary winding SA1, and the drain of the fourth switch element S4 is connected to the cathode of the diode D1. The source of the fifth switch element S5 and the anode of the diode D2 are connected to one end of the second secondary winding SA2, and the drain of the sixth switch element S6 is connected to the cathode of the diode D2.
第3スイッチ素子S3のドレインと第5スイッチ素子S5のドレインとはコンデンサC3の一端に接続され、第4スイッチ素子S4のソースと第6スイッチ素子S6のソースとはコンデンサC3の他端とダイオードD3のアノードに接続されている。第1の二次巻線SA1と第2の二次巻線SA2との接続点は、ダイオードD3のカソードに接続されている。 The drain of the third switch element S3 and the drain of the fifth switch element S5 are connected to one end of the capacitor C3, and the source of the fourth switch element S4 and the source of the sixth switch element S6 are the other end of the capacitor C3 and the diode D3. It is connected to the anode of. The connection point between the first secondary winding SA1 and the second secondary winding SA2 is connected to the cathode of the diode D3.
コンデンサC3とダイオードD3との直列回路の両端には、第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10からなる第2フルブリッジ回路を備えた電流インバータ3が接続されている。第7スイッチ素子S7のドレインと第9スイッチ素子S9のドレインとはコンデンサC3の一端に接続され、第8スイッチ素子S8のソースと第10スイッチ素子S10のソースとはダイオードD3のカソードに接続されている。 A current inverter 3 including a second full bridge circuit including the seventh switch element S7 to the tenth switch element S10 is connected to both ends of the series circuit of the capacitor C3 and the diode D3. The drain of the 7th switch element S7 and the drain of the 9th switch element S9 are connected to one end of the capacitor C3, and the source of the 8th switch element S8 and the source of the 10th switch element S10 are connected to the cathode of the diode D3. There is.
第7スイッチ素子S7のソースには第8スイッチ素子S8のドレインが接続され、第9スイッチ素子S9のソースには第10スイッチ素子S10のドレインが接続されている。第7スイッチ素子S7のソースと第8スイッチ素子S8のドレインとの接続点と、第9スイッチ素子S9のソースと第10スイッチ素子S10のドレインとの接続点には、コンデンサC4の両端が接続されるとともに、リアクトルLoと交流電源4との直列回路が接続されている。コンデンサC4とリアクトルLoとは出力フィルタを構成する。
The drain of the eighth switch element S8 is connected to the source of the seventh switch element S7, and the drain of the tenth switch element S10 is connected to the source of the ninth switch element S9. Both ends of the capacitor C4 are connected to the connection point between the source of the 7th switch element S7 and the drain of the 8th switch element S8 and the connection point between the source of the 9th switch element S9 and the drain of the 10th switch element S10. At the same time, a series circuit of the reactor Lo and the
第1スイッチ素子S1乃至第10スイッチ素子S10は、MOSFETからなり、このMOSFETのドレインとソース間にはダイオードが接続されている。このダイオードは、MOSFETの寄生ダイオードでもよく、あるいは個別のダイオードでも良い。 The first switch element S1 to the tenth switch element S10 are composed of MOSFETs, and a diode is connected between the drain and the source of the MOSFET. This diode may be a parasitic diode of the MOSFET or a separate diode.
制御回路10は、第1スイッチ素子S1乃至第10スイッチ素子S10をオンオフ制御する。制御回路10の各スイッチ素子のオンオフ制御の詳細は、後述する。
The
次にこのように構成された実施例1のDC/ACインバータについて図1乃至図3を参照しながら各動作モードの動作を詳細に説明する。動作モードは、直送モード(図2(a)、図2(b)、第1モードに対応)、充電モード(図2(c)、図2(d)、第2モードに対応)、放電モード(図3(a)、図3(b)、第3モードに対応)、還流モード(図3(c)、図3(d)、第4モードに対応)の4つのモードからなる。ここでは、系統電圧が正の場合の動作モードのみを説明する。なお、ハーフブリッジ回路のスイッチング周波数は、共振周波数に合わせ、デューティが50%で設定される。 Next, the operation of each operation mode will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3 for the DC / AC inverter of the first embodiment configured in this way. The operation modes are direct delivery mode (corresponding to FIGS. 2 (a), 2 (b), and first mode), charging mode (corresponding to FIG. 2 (c), FIG. 2 (d), and second mode), and discharging mode. It is composed of four modes (FIG. 3 (a), FIG. 3 (b), corresponding to the third mode) and a reflux mode (FIG. 3 (c), FIG. 3 (d), corresponding to the fourth mode). Here, only the operation mode when the system voltage is positive will be described. The switching frequency of the half-bridge circuit is set with a duty of 50% according to the resonance frequency.
まず、図1及び図2(a)、図2(b)を用いて直送モードを説明する。制御回路10は、ゲート信号の半周期において、第1スイッチ素子S1をオフさせ、第2スイッチ素子S2と第3スイッチ素子S3と第7スイッチ素子S7と第10スイッチ素子S10とをオンさせる。すると、Vin→C1→Ls→P→S2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第1の二次巻線SA1の一端→S3→S7→4→S10→第1の二次巻線SA1の他端の経路で電流idcが流れる。
First, the direct delivery mode will be described with reference to FIGS. 1 and 2 (a) and 2 (b). The
次に、制御回路10は、ゲート信号の次の半周期において、第2スイッチ素子S2をオフさせ、第1スイッチ素子S1と第5スイッチ素子S5と第7スイッチ素子S7と第10スイッチ素子S10とをオンさせる。すると、Vin→S1→P→Ls→C2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第2の二次巻線SA2の一端→S5→S7→4→S10→第2の二次巻線SA2の他端の経路で電流idcが流れる。このため、直流電源1の電力を負荷4(系統)に直送することができる。
Next, the
次に、図1及び図2(c)、図2(d)を用いてコンデンサC3を充電するための充電モードを説明する。 Next, a charging mode for charging the capacitor C3 will be described with reference to FIGS. 1 and 2 (c) and 2 (d).
制御回路10は、ゲート信号の半周期において、第2スイッチ素子S2と第3スイッチ素子S3とをオンさせ、第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10をオフさせる。すると、Vin→C1→Ls→P→S2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第1の二次巻線SA1の一端→C3→D3→第1の二次巻線SA1の他端の経路で電流idcが流れる。
The
次に、制御回路10は、ゲート信号の次の半周期において、第1スイッチ素子S1と第5スイッチ素子S5とをオンさせ、第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10をオフさせる。すると、Vin→S1→P→Ls→C2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第2の二次巻線SA2の一端→S5→C3→D3→第2の二次巻線SA2の他端の経路で電流idcが流れる。このため、直流電源1の電力をコンデンサC3に充電することができる。
Next, the
次に、図1及び図3(a)、図3(b)を用いてコンデンサC3を放電するための放電モードを説明する。 Next, a discharge mode for discharging the capacitor C3 will be described with reference to FIGS. 1 and 3 (a) and 3 (b).
制御回路10は、ゲート信号の半周期において、第1スイッチ素子S1をオフさせ、第2スイッチ素子S2と第4スイッチ素子S4と第7スイッチ素子S7と第10スイッチ素子S10をオンさせる。すると、Vin→C1→Ls→P→S2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第1の二次巻線SA1の一端→D1→S4→D3→第1の二次巻線SA1の他端の経路で電流idcが流れる。また、C3→S7→4→S10の経路で、コンデンサC3は、負荷4(系統)に放電する。
The
次に、制御回路10は、ゲート信号の次の半周期において、第2スイッチ素子S2をオフさせ、第1スイッチ素子S1と第6スイッチ素子S6と第7スイッチ素子S7と第10スイッチ素子S10をオンさせる。すると、Vin→S1→P→Ls→C2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第2の二次巻線SA2の一端→D2→S6→D3→第2の二次巻線SA2の他端の経路で電流idcが流れる。また、C3→S7→4→S10の経路で、コンデンサC3は、負荷4(系統)に放電する。
Next, the
次に、図1及び図3(c)、図3(d)を用いて還流モードを説明する。 Next, the reflux mode will be described with reference to FIGS. 1, 3 (c), and 3 (d).
制御回路10は、ゲート信号の半周期において、第2スイッチ素子S2と第4スイッチ素子S4とをオンさせ、第1スイッチ素子S1と第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10をオフさせる。すると、Vin→C1→Ls→P→S2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第1の二次巻線SA1の一端→D1→S4→D3→第1の二次巻線SA1の他端の経路で電流idcが流れる。
The
次に、制御回路10は、ゲート信号の次の半周期において、第1スイッチ素子S1と第6スイッチ素子S6とをオンさせ、第2スイッチ素子S2と第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10をオフさせる。すると、Vin→S1→P→Ls→C2→Vinの経路で電流irccが流れる。トランスTの二次側では、第2の二次巻線SA2の一端→D2→S6→D3→第2の二次巻線SA2の他端の経路で電流idcが流れる。即ち、電流idcの還流経路となり、負荷4(系統)やコンデンサC3には電流は流れない。
Next, the
なお、系統電圧が正の場合の動作モードのみを説明したが、系統電圧が負の場合には、図2(a)、図2(b)、図3(a)、図3(b)において、制御回路10は、第7スイッチ素子S7と第10スイッチ素子S10とをオフさせ、第8スイッチ素子S8と第9スイッチ素子S9とをオンさせる。その他の動作は、系統電圧が正の場合の動作と同じである。
Although only the operation mode when the system voltage is positive has been described, when the system voltage is negative, FIGS. 2 (a), 2 (b), 3 (a), and 3 (b) show. , The
このように、実施例1に係るDC/ACインバータによれば、図11に示す従来のDC/ACインバータに対して、DC/DCコンバータを、スイッチ素子S1,S2からなるハーフブリッジ回路で構成し且つダイオードD11〜D14を削除し、アクティブバッファ回路2に高周波の整流動作を付加することで、トランス二次側回路の通過素子数を低減させたので、回路構成を簡素化でき、導通損失を低減することができる。
As described above, according to the DC / AC inverter according to the first embodiment, the DC / DC converter is composed of a half bridge circuit composed of switch elements S1 and S2 with respect to the conventional DC / AC inverter shown in FIG. Moreover, by deleting the diodes D11 to D14 and adding a high-frequency rectification operation to the
また、トランスの2次側整流回路をスイッチングすることで、直送モード、充電モード、放電モード、還流モードを実現することで、コンデンサC3を小容量化することができる。このため、電解コンデンサを用いなくても済む。また、直送モード、還流モードにさらにコンデンサC3の充放電モードを加えて、充放電動作の割合を制御することで電力脈動補償を実現することができる。 Further, by switching the secondary side rectifier circuit of the transformer, the direct delivery mode, the charge mode, the discharge mode, and the reflux mode can be realized, so that the capacity of the capacitor C3 can be reduced. Therefore, it is not necessary to use an electrolytic capacitor. Further, the power pulsation compensation can be realized by further adding the charge / discharge mode of the capacitor C3 to the direct delivery mode and the reflux mode to control the ratio of the charge / discharge operation.
次に、図4に示す制御回路10の詳細な構成を説明する。制御回路10は、Δ−ΣPDM部11、アクティブバッファスイッチングテーブル12、インバータスイッチングテーブル13を備えている。
Next, a detailed configuration of the
Δ−ΣPDM部11は、DC/DCコンバータの第1スイッチ素子S1と第2スイッチ素子S2をオンオフする制御するための第1コンバータゲート信号と直送モード及び還流モードのための第1デューティ指令値dmode1と充電モードのための第2デューティ指令値dmode2と放電モードのための第3デューティ指令値dmode3をΔ−Σ変換を用いて量子化することにより3つのモード選択情報Selmode1、Selmode2、Selmode3を生成する。
The Δ-
図5は、Δ−ΣPDM部11の詳細な構成図である。Δ−ΣPDM部11は、減算器111a〜111c、積分器112a〜112c、量子化器113a〜113c、乗算器114a〜114c、遅延器115a〜115cを備えたΔΣ変調器を有する。また、Δ−ΣPDM部11は、コンパレータ116,118、インバータ117,119を有する。ZOHは、ゼロ次ホールドである。
FIG. 5 is a detailed configuration diagram of the Δ-
減算器111aは、第2デューティ指令値dmode2と遅延器115aからの量子化器113aの出力との差分を求め、積分器112aは、減算器111aからの出力を積分し、量子化誤差を蓄積する。次に、量子化器113aは、蓄積誤差に基づいて出力を1又は0に切り換えた量子化パルスを乗算器114aに出力する。
The
減算器111bは、第1デューティ指令値dmode1と遅延器115bからの量子化器113bの出力との差分を求め、積分器112bは、減算器111bからの出力を積分し、量子化誤差を蓄積する。次に、量子化器113bは、蓄積誤差に基づいて出力を1又は0に切り換えた量子化パルスを乗算器114bに出力する。
The subtractor 111b obtains the difference between the first duty command value dmode1 and the output of the
減算器111cは、第3デューティ指令値dmode3と遅延器115cからの量子化器113cの出力との差分を求め、積分器112cは、減算器111cからの出力を積分し、量子化誤差を蓄積する。次に、量子化器113cは、蓄積誤差に基づいて出力を1又は0に切り換えた量子化パルスを乗算器114cに出力する。
The subtractor 111c obtains the difference between the third duty command value dmode3 and the output of the
蓄積誤差はデューティの大小に比例して増加する。量子化間隔はパルス電流の一周期に相当する。Δ−Σ変換は量子化するのみであるから、本来のデューティ指令値通りに各スイッチ素子をオンオフさせるためのスイッチングパターンを生成する。 The accumulation error increases in proportion to the magnitude of the duty. The quantization interval corresponds to one cycle of the pulse current. Since the Δ-Σ conversion is only quantized, a switching pattern for turning each switch element on and off according to the original duty command value is generated.
また、3つの積分器112a〜112cの量子化誤差を比較して、最も大きい量子化誤差を有する積分器を選択し、選択された積分器を有する変調器からモード選択情報を出力させるモード選択部を備えている。モード選択部は、コンパレータ116,118、インバータ117,119、乗算器114a〜114cからなる。
Further, a mode selection unit that compares the quantization errors of the three
コンパレータ116,118を用いて各モードを選択的に出力する。具体的には、コンパレータ116は、積分器112aの出力が積分器112bの出力以上の場合には1をインバータ117と乗算器114aに出力し、積分器112aの出力が積分器112bの出力未満の場合には0をインバータ117と乗算器114aに出力する。乗算器114aはコンパレータ116の出力と量子化器113aの出力を乗算して乗算出力をモード選択情報Selmode2として出力する。インバータ117は、コンパレータ116の出力を反転して乗算器114bに出力する。
Each mode is selectively output using the
コンパレータ118は、積分器112bの出力が積分器112cの出力以上の場合には1をインバータ119と乗算器114bに出力し、積分器112bの出力が積分器112cの出力未満の場合には0をインバータ119と乗算器114bに出力する。乗算器114bはコンパレータ118の出力と量子化器113bの出力とインバータ117の出力とを乗算して乗算出力をモード選択情報Selmode1として出力する。インバータ119は、コンパレータ118の出力を反転して乗算器114cに出力する。
The
即ち、蓄積誤差とデューティ指令値とは比例するため、蓄積誤差が最も大きかったモードの出力を優先し、それ以外はゼロとすることで変調器の非干渉化を行うことができる。今回選択されなかったモードは、量子化誤差として蓄積され、次回のモード選択に反映される。 That is, since the accumulation error and the duty command value are proportional to each other, the output in the mode having the largest accumulation error is prioritized, and the other outputs are set to zero, so that the modulator can be made non-interfering. The mode not selected this time is accumulated as a quantization error and reflected in the next mode selection.
アクティブバッファスイッチングテーブル12は、第1コンバータゲート信号とΔ−ΣPDM部11からのモード選択情報Selmode1、Selmode2、Selmode3に基づき、第1コンバータゲート信号の極性に同期して、アクティブバッファ回路2に有する第3スイッチ素子S3乃至第6スイッチ素子S6のためのスイッチングパルスからなるゲート信号を生成する。
The active buffer switching table 12 has the first converter gate signal and the mode selection information from the Δ-
インバータスイッチングテーブル13は、負荷4(系統)からのグリッド電圧極性信号と、Δ−ΣPDM部11からのモード選択情報Selmode1、Selmode2、Selmode3に基づき、グリッド電圧極性信号に同期して、電流インバータ3に有する第7スイッチ素子S7乃至第10スイッチ素子S10のためのスイッチングパルスからなるゲート信号を生成する。
The inverter switching table 13 sets the current inverter 3 in synchronization with the grid voltage polarity signal based on the grid voltage polarity signal from the load 4 (system) and the mode selection information Cellmode1, Celmode2, and Celmode3 from the Δ-
また、制御回路10は、DC/DCコンバータの制御信号を用いて高周波電流の極性を判定し、判定された極性に応じて第1フルブリッジ回路の対角をなす2つのスイッチ素子を選択する。具体的には、アクティブバッファスイッチングテーブル12が第1コンバータゲート信号(DC/DCコンバータの制御信号に対応)の極性に応じて、アクティブバッファ回路2の第3スイッチ素子S3乃至第6スイッチ素子S6のためのゲート信号を生成するので、アクティブバッファ回路2は、トランスTの一次電流の極性に応じて動作する対角をなす2つのスイッチ素子を切り替えて、高周波の整流動作を行うことができる。
Further, the
また、電流インバータ3は、インバータスイッチングテーブル13を参照して、系統電圧の極性に応じて動作するレグ(第2フルブリッジ回路S7〜S10の対角をなす2つのスイッチ素子)を切り替えるので、商用周波数の正弦波電流を系統側に出力することができる。 Further, since the current inverter 3 switches the leg (two diagonal switch elements of the second full bridge circuits S7 to S10) that operate according to the polarity of the system voltage with reference to the inverter switching table 13, it is commercially available. A sinusoidal current of frequency can be output to the system side.
さらに、実施例1では、一次側に接続されたコンデンサC1,C2とトランスの漏れインダクタンスであるリアクトルLsとを共振させることでハーフブリッジ回路の第1スイッチ素子S1と第2スイッ素子S2のゼロ電流スイッチング(ZCS)を行うので、スイッチング損失を低減することができる。従って、装置の小型化と高効率化を図ることができる。 Further, in the first embodiment, the zero currents of the first switch element S1 and the second switch element S2 of the half bridge circuit are resonated by resonating the capacitors C1 and C2 connected to the primary side with the reactor Ls which is the leakage inductance of the transformer. Since switching (ZCS) is performed, switching loss can be reduced. Therefore, the size of the device can be reduced and the efficiency can be improved.
図6に、ハーフブリッジ回路の第1スイッチ素子S1のドレイン−ソース間電圧波形Vs1及び電流波形is1を示す。図7に、アクティブバッファ回路2の第3スイッチ素子S3のドレイン−ソース間電圧波形Vs3及び電流波形is3と、電流インバータ3の第7スイッチ素子S7のドレイン−ソース間電圧波形Vs7及び電流波形is7を示す。
FIG. 6 shows the drain-source voltage waveform Vs1 and the current waveform is1 of the first switch element S1 of the half-bridge circuit. FIG. 7 shows the drain-source voltage waveform Vs3 and the current waveform is3 of the third switch element S3 of the
図6及び図7から、各スイッチ素子において、ドレイン電流のゼロ付近でドレイン−ソース間電圧が立ち上がり又は立下りしていることから、ZCS動作していることがわかる。ZCS動作するのは、一次側回路については、トランスTのリーケージインダクタンスLsとコンデンサC1,C2との直列共振、二次側回路については、Δ−ΣPDMを適用しているためである。 From FIGS. 6 and 7, it can be seen that the ZCS operation is performed in each switch element because the drain-source voltage rises or falls near zero of the drain current. The ZCS operation is performed because the leakage inductance Ls of the transformer T and the series resonance of the capacitors C1 and C2 are applied to the primary side circuit, and Δ-ΣPDM is applied to the secondary side circuit.
図8に、入力電圧Vin、入力電流Iin、コンデンサ電圧Vc、系統電圧Vac、インバータ出力電流iacの波形を示す。コンデンサ電圧Vcを系統電圧Vacの2倍周波数で制御することで、入力電圧Vinには電源周波数の2倍周波数の電圧リップルは発生せず、単相電力脈動が良好に補償できる。 FIG. 8 shows the waveforms of the input voltage Vin, the input current Iin, the capacitor voltage Vc, the system voltage Vac, and the inverter output current iac. By controlling the capacitor voltage Vc at twice the frequency of the system voltage Vac, the input voltage Vin does not generate a voltage ripple at a frequency twice the power supply frequency, and the single-phase power pulsation can be satisfactorily compensated.
図9に、DC/ACインバータの出力電力の効率を示す。実施例1は、全てのスイッチ素子でZCSを達成するため、スイッチング損失は考慮しない。また、トランスT及び出力フィルタLo,C4の損失は無視する。図9から、実施例1では、全ての出力電力領域において、従来回路に比較して効率を改善できていることがわかる。これは、二次側回路の通過素子数を低減するに伴い、導通損失が低減されるためである。定格出力300W時の効率は、96.9%となり、1.1%改善した。 FIG. 9 shows the efficiency of the output power of the DC / AC inverter. In the first embodiment, since ZCS is achieved in all the switch elements, the switching loss is not considered. Further, the loss of the transformer T and the output filters Lo and C4 is ignored. From FIG. 9, it can be seen that in the first embodiment, the efficiency can be improved as compared with the conventional circuit in all the output power regions. This is because the conduction loss is reduced as the number of passing elements in the secondary circuit is reduced. The efficiency at a rated output of 300 W was 96.9%, an improvement of 1.1%.
図10に、DC/ACインバータの出力電力300W時における損失解析結果を示す。図10(a)は、実施例1の回路、図10(b)は、従来回路の損失データである。実施例1の回路は、従来回路に対して導通損失を25%低減できている。また、DC/DCコンバータの導通損失が支配的であることが確認することができた。これは、一次側回路においては、低圧大電流動作となるためである。特に、一次側回路に用いるMOSFETに対して、低オン抵抗素子を用いることが挙げられる。 FIG. 10 shows the loss analysis result when the output power of the DC / AC inverter is 300 W. FIG. 10A is the circuit of the first embodiment, and FIG. 10B is the loss data of the conventional circuit. The circuit of the first embodiment can reduce the conduction loss by 25% as compared with the conventional circuit. It was also confirmed that the conduction loss of the DC / DC converter is dominant. This is because the primary side circuit operates at a low voltage and a large current. In particular, a low on-resistance element may be used for the MOSFET used in the primary circuit.
1 直流電源
2 アクティブバッファ回路
3 電流インバータ
4 交流電源
10 制御回路
11 Δ−ΣPDM部
12 アクティブバッファスイッチングテーブル
13 インバータスイッチングテーブル
111a〜111c 減算器
112a〜112c 積分器
113a〜113c 量子化器
114a〜114c 乗算器
116,118 コンパレータ
C1〜C4 コンデンサ
S1〜S10 第1スイッチ素子乃至第10スイッチ素子
T トランス
P 一次巻線
SA1 第1の二次巻線
SA2 第2の二次巻線
Ls,L0 リアクトル
1
Claims (6)
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子からなるハーフブリッジ回路を備え、前記第1スイッチ素子及び前記第2スイッチ素子をスイッチングすることにより前記直流電圧を交流電圧に変換してトランスの一次巻線を介して二次巻線に出力するDC/DCコンバータと、
前記二次巻線に接続された第3スイッチ素子乃至第6スイッチ素子からなる第1フルブリッジ回路、前記第1フルブリッジ回路の出力両端に接続されたバッファコンデンサを備えたアクティブバッファ回路と、
第7スイッチ素子乃至第10スイッチ素子からなる第2フルブリッジ回路を有し、前記バッファコンデンサからの電圧を交流電圧に変換して負荷に供給する電流インバータと、
前記第1スイッチ素子乃至第10スイッチ素子の各スイッチ素子をオンオフ制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記DC/DCコンバータの出力を前記負荷に供給する第1モード、前記DC/DCコンバータの出力により前記バッファコンデンサを充電する第2モード、前記DC/DCコンバータの出力と前記バッファコンデンサを直列に接続して前記負荷に放電する第3モード、前記DC/DCコンバータの出力が前記バッファコンデンサに作用しない第4モードの処理を第1モードから順番に第4モードまで行うように、前記各スイッチ素子をオンオフ制御し、
前記二次巻線は、第1の二次巻線と第2の二次巻線との直列回路からなり、
前記第1の二次巻線の一端に前記第3スイッチ素子と第4スイッチ素子が接続され、前記第2の二次巻線の一端に第5スイッチ素子と前記第6スイッチ素子が接続され、
前記制御回路は、前記第1モードにおいて、前記第3スイッチ素子又は前記第5スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の対角をなす2つのスイッチ素子をオンさせ、
前記第2モードにおいて、前記第3スイッチ素子又は前記第5スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の全スイッチ素子をオフさせ、
前記第3モードにおいて、前記第4スイッチ素子又は前記第6スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の対角をなす2つのスイッチ素子をオンさせ、
前記第4モードにおいて、前記第4スイッチ素子又は前記第6スイッチ素子をオンさせ、前記第2フルブリッジ回路の全スイッチ素子をオフさせることを特徴とするDC/ACインバータ。 A DC / AC inverter that converts DC voltage to AC voltage.
A half-bridge circuit including a first switch element and a second switch element is provided, and the DC voltage is converted into an AC voltage by switching the first switch element and the second switch element, and the DC voltage is converted into an AC voltage via the primary winding of the transformer. DC / DC converter that outputs to the secondary winding
A first full-bridge circuit composed of a third switch element to a sixth switch element connected to the secondary winding, an active buffer circuit having buffer capacitors connected to both ends of the output of the first full-bridge circuit, and an active buffer circuit.
A current inverter having a second full bridge circuit composed of 7th switch elements to 10th switch elements, converting the voltage from the buffer capacitor into AC voltage and supplying it to the load.
A control circuit that controls on / off of each switch element of the first switch element to the tenth switch element, and
Equipped with a,
The control circuit has a first mode of supplying the output of the DC / DC converter to the load, a second mode of charging the buffer capacitor by the output of the DC / DC converter, an output of the DC / DC converter and the buffer. The third mode in which capacitors are connected in series and discharged to the load, and the fourth mode in which the output of the DC / DC converter does not act on the buffer capacitor are processed from the first mode to the fourth mode in order. On / off control of each switch element is performed.
The secondary winding consists of a series circuit of a first secondary winding and a second secondary winding.
The third switch element and the fourth switch element are connected to one end of the first secondary winding, and the fifth switch element and the sixth switch element are connected to one end of the second secondary winding.
In the first mode, the control circuit turns on the third switch element or the fifth switch element, and turns on two diagonal switch elements of the second full bridge circuit.
In the second mode, the third switch element or the fifth switch element is turned on, and all the switch elements of the second full bridge circuit are turned off.
In the third mode, the fourth switch element or the sixth switch element is turned on, and the two diagonal switch elements of the second full bridge circuit are turned on.
A DC / AC inverter characterized in that, in the fourth mode, the fourth switch element or the sixth switch element is turned on and all switch elements of the second full bridge circuit are turned off .
前記第2の二次巻線の一端と前記第6スイッチ素子との間に接続された第2整流素子と、
を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のDC/ACインバータ。 A first rectifying element connected between one end of the first secondary winding and the fourth switch element,
A second rectifying element connected between one end of the second secondary winding and the sixth switch element,
The DC / AC inverter according to claim 1 or 2 , wherein the DC / AC inverter is provided.
前記Δ−ΣPDM部は、前記第1デューティ指令値乃至前記第3デューティ指令値に対応して、減算器、積分器、量子化器及び前記量子化器の出力に接続された遅延器を有する変調器を3組備え、
各変調器において、前記減算器は、前記デューティ指令値と前記遅延器からの前記量子化器の出力との差分を求め、前記積分器は、前記減算器からの出力を積分して量子化誤差を蓄積し、前記量子化器は、前記積分器からの蓄積誤差に基づいて出力を1又は0に切り換えた量子化パルスを前記モード選択情報として出力することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のDC/ACインバータ。 The control circuit has a first duty command value for the first mode and the fourth mode, a second duty command value for the second mode, and a third duty command value for the third mode. It is equipped with a Δ-Σ PDM unit that generates mode selection information by quantization using Δ-Σ conversion.
The Δ-ΣPDM unit is a modulation having a subtractor, an integrator, a quantizer, and a delay device connected to the output of the quantizer corresponding to the first duty command value to the third duty command value. Equipped with 3 sets of vessels,
In each modulator, the subtractor obtains the difference between the duty command value and the output of the quantizer from the delayer, and the integrator integrates the output from the subtractor to obtain a quantization error. 1 to claim 1 , wherein the quantization device outputs a quantization pulse whose output is switched to 1 or 0 based on an accumulation error from the integrator as the mode selection information. The DC / AC integrator according to any one of 4 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016246945A JP6795734B2 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | DC / AC inverter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016246945A JP6795734B2 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | DC / AC inverter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018102062A JP2018102062A (en) | 2018-06-28 |
JP6795734B2 true JP6795734B2 (en) | 2020-12-02 |
Family
ID=62714547
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016246945A Active JP6795734B2 (en) | 2016-12-20 | 2016-12-20 | DC / AC inverter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6795734B2 (en) |
-
2016
- 2016-12-20 JP JP2016246945A patent/JP6795734B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2018102062A (en) | 2018-06-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11411502B2 (en) | Single-stage isolated DC-DC converters | |
EP3734828B1 (en) | Power conversion device | |
JP4232845B1 (en) | DC converter | |
JP6008185B2 (en) | Three-level power converter and control method thereof | |
US8441237B2 (en) | Power factor correction (PFC) circuit and method therefor | |
Narimani et al. | A new single-phase single-stage three-level power-factor-correction AC–DC converter with phase-shift modulation | |
WO2017049250A1 (en) | Pwm scheme based on space vector modulation for three-phase rectifier converters | |
EP2937979A1 (en) | Single-pole switch power source | |
US11296607B2 (en) | DC-DC converter | |
Lin et al. | Soft-switching converter with two series half-bridge legs to reduce voltage stress of active switches | |
JP2012050264A (en) | Load driving device | |
Narimani et al. | A new DC/DC converter with wide-range ZVS and reduced circulating current | |
Lin et al. | Interleaved ZVS converter with ripple-current cancellation | |
KR20170064100A (en) | High Power Factor And High Efficiency Interleaved Dual-Buck Converter And Method Therefor | |
Pool-Mazun et al. | A direct switch-mode three-phase AC to DC rectifier with high-frequency isolation for fast EV battery chargers | |
JP6795734B2 (en) | DC / AC inverter | |
Bae et al. | High-Efficiency Asymmetrical Half-Bridge Converter with Linear Voltage Gain | |
JP2010172146A (en) | Switching power supply and power supply control semiconductor integrated circuit | |
Ting et al. | Elimination of switching losses in the single active bridge over a wide voltage and load range at constant frequency | |
JP7100847B2 (en) | Power converter control device | |
Khodabakhsh et al. | A comparative study of conventional and T-type ZVS-PWM full-bridge converters | |
KR20100055233A (en) | Current-fed three phase half-bridge dc-dc converter for power conversion apparatus | |
Beyer et al. | Design of a universal charger for a light electric vehicle with effect of an RCD snubber on peak current control | |
Lin et al. | Interleaved DC-DC converters with partial ripple current cancellation | |
Narimani et al. | A new DC/DC converter with wide-range ZVS and zero circulating current |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A80 | Written request to apply exceptions to lack of novelty of invention |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A80 Effective date: 20161221 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190620 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200625 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200714 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200819 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200901 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200924 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6795734 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313115 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |